层状岩体损伤破坏特征数值模拟

为更深入了解层状岩体的力学特性,首先基于细观损伤力学理论,运用体积平均化的方法,推导了微裂纹对岩体弹性柔度矩阵的贡献;然后基于不可逆热力学框架,导出了损伤矢量的损伤破坏方程;最后建立了层状岩体的损伤破坏本构模型,并通过数值计算模拟了层状岩体的损伤破坏特征,与室内试验结果吻合较好。巴西圆盘劈裂数值试验研究表明:岩体试样的破裂面均从加载点起裂;层理倾角0°、90°时,破裂面为通过加载中心和试样中心的近似平面,层理倾角为其他角度时,破裂面为偏离了加载中心的曲面。与室内试验结果对比可知,本文二次开发的本构模型能够较好地预测层状岩体渐进破坏的各向异性。     

层状各向异性岩体的室内单轴压缩试验分析

为研究层状岩体变形及强度的各向异性特征,将不同倾角的层状岩体制成标准试件进行单轴压缩试验,得到岩石试件弹性模量、峰值强度和残余强度,以及它们随层面倾角β的变化规律;并对试件峰值破坏形态进行了分析,最后通过理论计算验证试验结果的正确性。研究结果表明:随着层面倾角β的增大,层状岩体的弹性模量、峰值强度和残余强度呈先减小后增大的变化趋势。β为90°时,其模量和强度最大,β为45°~60°时较小,且β为90°时对应的模量和强度比β为0°时要大,表现出明显的各向异性特征。当β为0°~15°时,岩石产生沿轴向应力方向的劈裂破坏;β30°以后,岩石开始产生沿层理结构面的滑移破坏;β为90°时产生沿层理结构面的劈裂破坏。     

考虑尺寸效应和加载方式的砂岩抗拉强度统计模型

针对岩石抗拉强度测试过程中的的尺寸效应问题,设计了3组不同直径(50、75、100 mm)的灰砂岩劈裂试验和一组三点弯试验。基于广义最弱链累积失效概率理论,研究了灰砂岩劈裂抗拉强度在几何相似和非几何相似条件下所测抗拉强度相互转换问题。研究结果表明:①当圆盘试样直径从50 mm增大到100 mm时,对应的劈裂抗拉强度均值逐渐减小,呈现先陡后缓的变化趋势,三点弯法所测抗拉强度均值约为劈裂抗拉度均值的1.18~1.4倍;②使用尺寸效应统计方法建立的灰砂岩试样尺寸效应统计模型,能够在给定失效概率前提下得到不同尺寸下的灰砂岩劈裂抗拉强度。通过近似积分方法计算了劈裂加载方式下的等效强度系数,得到了该加载方式下的等效强度系数计算公式,结合三点弯加载方式下等效强度系数的计算方法,实现了巴西劈裂和三点弯加载方式所测抗拉强度的转换。     

层理灰岩抗拉力学参数各向异性及破裂特征分析

山体斜坡在自重荷载或卸荷作用下常表现为侧向受拉,拉裂缝的形成及展布方向与层面产出状态密切相关。为探讨层理倾角对岩体抗拉力学特性与宏-细观破裂特征的影响,以三叠系大冶组中厚层状灰岩为研究对象,对0,15°,30°,45°,60°,75°,90°共7种倾角层理灰岩岩样进行巴西劈裂试验,并结合高精度三维激光扫描技术,获得了岩样拉伸力学参数和破裂面线粗糙度、盒维数随层理倾角的变化规律。研究结果表明：随着层理倾角的增加,灰岩抗拉强度与拉伸模量逐渐降低;张拉裂缝呈现出基体拉裂-拉剪复合-弱面层理张拉的破裂变化趋势;且最终破坏形态可分为直线型、月牙形与弧形;破裂面线粗糙度与盒维数值随层理倾角增加而先增大、后减小、再增大,起伏粗糙度与破裂面张拉作用大小呈正相关、与破裂面剪切作用大小呈负相关关系。研究结果可为进一步完善层状岩体张拉破坏内部演化机制研究提供参考。     

动力荷载下软硬互层岩体力学特征

针对动力荷载下软硬互层岩体破坏问题,以汶川水磨沟滑坡层状岩体为研究对象,依据相似理论,制作软硬互层岩质试块,开展单轴压缩及变上下限等幅值循环荷载试验,研究其动力特性及破坏过程。结果表明：随岩层倾角的增大,其破坏模式为贯通层面的张拉破坏(0°～30°)、沿层面的剪切破坏(45°～75°)及沿层面的劈裂破坏(90°),而试样的强度及应变先增后减。对于相同倾角的试样,强度随加载频率及围压增大而增大。应变随加载频率增大而减小,随围压增大而增大。加载频率的增大会导致竖向拉张裂缝贯通、破裂程度降低。     

单轴压缩下层状岩体的各项异性研究

层理对岩体强度和各向异性特征都有重要影响,为了详细的研究层理间距和倾角对岩体强度 各向异性特征的影响,通过对类层状岩体标准试样的单轴压缩试验,得出了试样的强度和弹性模量随层 理间距、倾角的变化规律,并深入分析了试样的破坏形态,最后通过理论计算对试验结果进行了验证。 研究结果表明:岩体强度随层理面倾角的增加近似呈“Ｕ”型变化的规律,并在60°左右达到最小值;岩体 的弹性模量随层理面倾角的变化规律总体上是以45°为分界点,近似呈“Ｖ”型变化;岩体的强度、弹性模 量、破坏机制和各向异性比受层理面间距的影响均较小,层理间距为10ｍｍ的试样各向异性比为4．72, 层理间距为20ｍｍ的试样各向异性比为4．46,均属于高各项异性水平;试样破坏机理主要是剪切滑移和 张拉破坏,以及两者的组合。     

层理特性对层状岩体剪切力学特性的影响研究

当前对层状岩体力学特性的研究多涉及抗压及抗拉特性,为研究层状岩体剪切破坏过程中的强度和弹性变形参数及破坏特征,通过基于人工制样方法,开展不同层理倾角、层理间距及层理粘结强度下层状岩体直剪试验,结果表明:随着层理倾角的增大,层状类岩体的抗剪强度指标呈现先增大、后减小、再增大的变化趋势,在３０°左右量值最大,在６０°左右量值最小;当层间粘结强度与岩层强度接近时,层理间距对其剪切特性的影响较小;层理粘结强度的提高会增强试样的抗剪强度。     

层状类岩体室内制样方法及单轴压缩力学机理研究

为了更好的开展层状岩体室内试验研究,结合现有层状岩体模拟试验试样制作方法的优点,提出一种新的制样方法。以环氧树脂类胶凝材料为粘结剂,通过浇筑、拼装、粘贴、切割、打磨、成型等工序,制作出基岩和层理力学特性均可控的层状类岩体试样。通过开展不同层理倾角下层状岩体单轴压缩试验,所获取的层状类岩体试样的弹性模量和峰值强度都随着层理倾角的增大而呈现先降低后增大的Ｕ型变化规律,符合实际天然层状岩体的变形和强度特征。     

层理白云岩力学特性及隧道围岩位移特征研究

为探究贵阳地区层理白云岩力学特性及受层理影响的白云岩隧道围岩位移特征规律,对取自贵阳某隧道工程施工现场的层理白云岩试件进行了单轴压缩、巴西劈裂和电镜扫描(SEM)试验,并对5种层理倾角下的白云岩隧道工况进行了数值模拟分析。研究结果表明:层理白云岩抗压强度较高,随着层理角度增大,抗压强度呈先减小后增大趋势;试件破坏形态分为劈裂破坏、压剪滑移破坏及压碎破坏三种,且抗压强度大小为压碎破坏>劈裂破坏>压剪滑移破坏;层理白云岩抗拉强度具有一定的离散性,随着层理角度增大,抗拉强度整体呈下降趋势;层理白云岩岩质处微观结构排列有序,形状多呈规则的多面体,整体结构面较平滑完整,颗粒间的紧密程度较高;夹层处微观结构排列杂乱无规律,微观颗粒形状大小不一且不规则,颗粒间的结合较松散;白云岩隧道受层理影响,22.5°层理隧道围岩位移最大,隧道最大位移发生于隧道与层理交界区域,设计时可对该区域加强支护,从而达到有效控制围岩位移的目的。     

层理白云岩力学特性及隧道围岩位移特征研究

为探究贵阳地区层理白云岩力学特性及受层理影响的白云岩隧道围岩位移特征规律,对取自贵阳某隧道工程施工现场的层理白云岩试件进行了单轴压缩、巴西劈裂和电镜扫描(SEM)试验,并对5种层理倾角下的白云岩隧道工况进行了数值模拟分析。研究结果表明:层理白云岩抗压强度较高,随着层理角度增大,抗压强度呈先减小后增大趋势;试件破坏形态分为劈裂破坏、压剪滑移破坏及压碎破坏三种,且抗压强度大小为压碎破坏劈裂破坏压剪滑移破坏;层理白云岩抗拉强度具有一定的离散性,随着层理角度增大,抗拉强度整体呈下降趋势;层理白云岩岩质处微观结构排列有序,形状多呈规则的多面体,整体结构面较平滑完整,颗粒间的紧密程度较高;夹层处微观结构排列杂乱无规律,微观颗粒形状大小不一且不规则,颗粒间的结合较松散;白云岩隧道受层理影响,22.5°层理隧道围岩位移最大,隧道最大位移发生于隧道与层理交界区域,设计时可对该区域加强支护,从而达到有效控制围岩位移的目的。     

不同倾角层状砂岩单轴压缩及数值模拟试验研究

地下层状岩体存在节理、断层等结构面,层状岩体是许多基础设施和地下工程的载体,层状岩体具有明显的各向异性。为探明具有不同结构面倾角岩石的力学性质和破裂模式对水利裂缝扩展的影响,人工制作不同角度结构面的岩石模型,并开展单轴压缩试验和ＦＬＡＣ3Ｄ数值模拟对岩样进行破裂模式和力学参数各向异性分析。结果表明当结构面倾角为0°时,试样发生劈裂破坏,宏观破裂面沿着结构面,结构面主导岩石的破坏模式;倾角为15°、30°和45°时,试样由劈裂张拉破坏逐渐转换为剪切破坏,宏观破坏面主要沿节理面发生,节理主导岩石破坏的作用开始逐渐削弱。倾角60°、75°和90°时,裂缝会穿过结构面,宏观破裂面不沿着节理层面。相同角度的饱水模型的单轴抗压强度明显降低,随着节理面倾角的减小,岩石单轴抗压强度出现先减小再增大的现象,图像趋势为“勺”形。研究结果可为矿区水力裂缝扩展趋势、岩层失稳破坏风险评估提供参考。     

层理压剪特性及裂纹沿层与穿层破坏数值模拟及其机理研究

针对岩石工程中的节理缺陷,基于统计损伤理论,对含裂隙及层理情况下的小尺寸试样进行了单轴压缩数值模拟。结果表明:不含预制裂纹的节理模型裂隙顺着节理产生,含裂隙及节理模型裂隙沿预制裂纹尖端及节理产生,仅含预制裂隙模型裂隙沿预制裂纹尖端产生;节理倾角较小时,节理发生剪切破坏,预制裂隙的翼裂纹主要发生穿层破坏,节理倾角较大时,节理发生拉伸破坏,预制裂纹的翼裂纹主要发生沿层破坏,且靠近预制裂纹的节理破坏更加剧烈;随着节理倾角的增大,峰值荷载先减小后增大,当节理倾角为45°时试样的峰值荷载最小,含预制裂纹及节理下的模型峰值强度最低,仅含节理的模型峰值强度较大,仅含预制裂隙下的模型峰值强度最高。基于声发射规律推导了层理压剪损伤过程的本构方程,结合数值模拟结果,得到加载过程中岩样的损伤变化一共分为四个阶段,即线弹性变形阶段、裂纹萌生阶段、裂纹加速扩展阶段及损伤平稳发展阶段。同时,讨论了层理裂隙沿层及穿层破坏的理论解释,认为层理抗拉强度及倾角是影响裂隙的沿层及穿层破坏的关键因素。     

层理压剪特性及裂纹沿层与穿层破坏数值模拟及其机理研究

针对岩石工程中的节理缺陷,基于统计损伤理论,对含裂隙及层理情况下的小尺寸试样进行了单轴压缩数值模拟。结果表明: 不含预制裂纹的节理模型裂隙顺着节理产生,含裂隙及节理模型裂隙沿预制裂纹尖端及节理产生,仅含预制裂隙模型裂隙沿预制裂纹尖端产生; 节理倾角较小时,节理发生剪切破坏,预制裂隙的翼裂纹主要发生穿层破坏,节理倾角较大时,节理发生拉伸破坏,预制裂纹的翼裂纹主要发生沿层破坏,且靠近预制裂纹的节理破坏更加剧烈; 随着节理倾角的增大,峰值荷载先减小后增大,当节理倾角为 45°时试样的峰值荷载最小,含预制裂纹及节理下的模型峰值强度最低,仅含节理的模型峰值强度较大,仅含预制裂隙下的模型峰值强度最高。基于声发射规律推导了层理压剪损伤过程的本构方程,结合数值模拟结果,得到加载过程中岩样的损伤变化一共分为四个阶段,即线弹性变形阶段、裂纹萌生阶段、裂纹加速扩展阶段及损伤平稳发展阶段。同时,讨论了层理裂隙沿层及穿层破坏的理论解释,认为层理抗拉强度及倾角是影响裂隙的沿层及穿层破坏的关键因素。     

砂岩巴西劈裂抗拉强度的尺寸效应研究

尺寸效应是岩石力学试验研究中不可回避的问题,直接关系到岩石力学参数取值是否合理。在以往岩石劈裂抗拉强度的尺寸效应研究中,主要考虑了岩样厚径比的影响,较少考虑岩样直径的影响。基于此,在前期研究的基础上,设计进行了25,30,50,100,150 mm 5种直径岩样的巴西劈裂试验。研究结果表明:①在厚径比一定的情况下,岩样直径从25 mm增大到150 mm,对应抗拉强度呈现先陡后缓的降低趋势,在岩样直径>50 mm后,抗拉强度趋于稳定,变化趋势总体可以用指数函数较好地表达;②岩石的劈裂抗拉强度尺寸效应,不仅与岩样的厚径比有关,而且与岩样的直径有关,综合以往研究经验,建议控制岩样的厚径比为0.3左右、直径在50 mm以上,这样可以较好地消除尺寸效应对劈裂抗拉强度的影响。相关研究结果可为岩石劈裂抗拉强度的尺寸效应分析提供较好的依据。     

混凝土抗拉强度测定中的几个问题

混凝土抗拉强度远远低于它的抗压强度,而混凝土结构的破坏往往是由抗拉强度不足引起的。因此,在混凝土结构设计中,混凝土抗拉强度是一个主要设计参数。混凝土抗拉强度的测定方法有三种,即轴向拉伸试验法、弯曲试验法和劈裂试验法。这     

层理面细观参数对层状岩体强度特性影响的研究

为了从细观角度研究不同层理面的细观参数对层状岩体强度特性的影响,利用颗粒流建立数值模型,从细观角度将层理面力学参数分为黏结强度、摩擦作用和咬合作用3个方面,通过开展不同层理倾角下层状岩体单轴压缩试验的数值模拟,初步探讨了层理面力学参数对层状岩体强度的影响。结果表明:当层理黏结强度与基岩相差很大时,其影响可以忽略,而当其与基岩黏结强度比较相近时,其影响很大;层理摩擦作用对岩体整体强度的影响很小;层理咬合作用由层理厚度体现,是影响岩样整体宏观强度的重要因素,在试验颗粒级配条件下,当层理厚度取大约3倍最小颗粒半径时比较合理。     

不同垫块包围角度下砂岩劈裂声发射特性试验研究

为研究岩石劈裂试验中不同垫块包围角度对岩石声发射特性的影响,采用包围度数分别为10°,30°,60°的垫块对砂岩圆盘试样进行单轴循环加卸载试验,对比分析试样的声发射特性。试验结果表明：包围度数的增加对砂岩Kaiser效应几乎没有影响,而试样的累计计数、累计能量计数、峰值强度均显著提高,试样由沿荷载直径附近的单一劈裂破坏逐渐演变为沿垫块端部首先局部失效的复杂破坏。在整个循环加卸载过程中,不同包围度数下砂岩声发射b值演化规律总体一致,不同荷载阶段试样内部损伤的程度不同,b值呈现出一定的演化规律。研究成果可为利用Kaiser效应测量地应力及岩石破裂过程分析提供试验支撑。     

单轴压缩状态下类岩石材料水力劈裂试验

采用自制水泥砂浆作为类岩石材料进行试验,研究内水压力和单轴压缩耦合作用下岩体的破坏规律。制作带有中心预制裂缝的立方体试样,利用自行研发的内水压力与轴向压力加载装置,在固定内水压力加载速度和轴向压力大小的前提下,对不同材料强度和尺寸的试样,以不同轴向压力加载方向进行了水力劈裂试验。试验结果表明:轴向压力加载方向对裂缝尖端的起裂角度有一定影响,在固定内水压力加载速度下,裂缝内水压力上升速度与试样强度正相关;轴向压力方向无论是与预制裂缝走向平行还是垂直,都会加快内水压力上升速度;试样水力劈裂临界水压力与试样强度正相关;轴向压力加载方向对单裂缝试样水力劈裂影响较大,轴向压力方向与裂缝走向垂直时对裂缝开裂起抑制作用,轴向压力方向与裂缝走向平行时对裂缝开裂起促进作用。     

不同加载模式下岩石声发射及其分形特征分析

利用MTS815 Flex Test GT岩石力学试验设备和PCI-2 AE实时三维定位监测系统,对灰岩进行单轴压缩和巴西劈裂损伤破坏过程中声发射事件分形特征进行了研究。结果表明,不同的声发射特征可反映岩石在不同加载方式下的声发射内部活动特性和内部破裂过程;劈裂加载条件下的声发射分形维数普遍大于单轴加载条件,单轴加载条件下的声发射活动性强于劈裂加载条件,劈裂加载条件下岩石的破裂尺度较小,裂纹的扩展分布较均匀;不同加载条件下的破裂过程中,声发射分形维数整体上均呈现下降趋势,且在岩石试样破坏前下降到最低值,表明岩石失稳破坏是一个降维有序的过程。     

基于数字图像的岩石成对断面特征分析

岩石断裂面的特征研究是岩石断裂理论的基本问题之一,但是对成对断面特征认识较少。基于数字图像技术,针对成对断面的异同及特征进行研究。给出数字图像技术基本原理与方法,提出岩石断面数字图像的标准化方法、对比判断准则、处理流程。开展6组花岗岩巴西圆盘劈裂试验,对成对断面进行了基于R、G、B和灰度分量的特征分析。结果表明:(1)数字图像技术可应用于成对断面特征分析中;(2)对于花岗岩巴西圆盘劈裂试验,单断面R、G、B、Y分量分布规律一致,符合高斯线性组合,成对断面之间的R、G、B、Y分量分布差异明显;(3)巴西圆盘劈裂试验下,对于A类花岗岩试样,从岩石不同组分中断裂约占21. 1%~23. 0%,B类花岗岩约为33%~38%,C类花岗岩约为37. 5%~43. 9%。结论利于深化对岩石成对出现的断面特征差异的认识,同时对于数值分析中的损伤断裂分析中的微观参数设定、最终断面形态及断裂路径具有重要的参考价值。